JP2004012321A - 容量値測定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】測定対象の容量に無視できないレベルのリーク電流が発生する場合でも、正確な容量値が測定可能な容量値測定方法を得る。
【解決手段】ステップS1で、PMOSトランジスタMP1及びMP2を所定周期でオン/オフ制御するPMOSゲート電位GpとしてノーマルPMOSゲート電位Gp1を用いて、テスト電流ICnormを測定する。その後、ステップS2で、PMOSゲート電位Gpとして、“L”期間及び立下がり時間がノーマルPMOSゲート電位Gp1の等比倍のオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2を用いて電流ICratを測定する。ステップS3で、電流ICnorm及び電流ICratに基づき、リーク電流IRtを除去し、容量電流ICt成分のみからなる容量電流CICの電流量を算出する。その後、ステップS5で、容量電流CIC及びステップS4で求めた充電周波数fratに基づき、ターゲット容量CCtを求める。
【選択図】 図1
【解決手段】ステップS1で、PMOSトランジスタMP1及びMP2を所定周期でオン/オフ制御するPMOSゲート電位GpとしてノーマルPMOSゲート電位Gp1を用いて、テスト電流ICnormを測定する。その後、ステップS2で、PMOSゲート電位Gpとして、“L”期間及び立下がり時間がノーマルPMOSゲート電位Gp1の等比倍のオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2を用いて電流ICratを測定する。ステップS3で、電流ICnorm及び電流ICratに基づき、リーク電流IRtを除去し、容量電流ICt成分のみからなる容量電流CICの電流量を算出する。その後、ステップS5で、容量電流CIC及びステップS4で求めた充電周波数fratに基づき、ターゲット容量CCtを求める。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明はCBCM(Charge Based Capacitance Measurement)回路を用いた容量値測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
(CBCM法の基本原理)
CBCM法はLCRメータなどのAC測定器では十分な精度が得られないsub−fFレベル(10−15F以下)の容量値測定用回路である。
【0003】
図7は従来のCBCM法を採用したCBCM用回路の構成を示す回路図である。同図に示すように、PMOSトランジスタMP1及びNMOSトランジスタMN1が直列に接続され、PMOSトランジスタMP2及びNMOSトランジスタMN2が直列に接続される。そして、PMOSトランジスタMP1のソースが電源パッド52に、PMOSトランジスタMP2のソースが電源パッド54に接続され、NMOSトランジスタMN1及びMN2のソースが共通に接地レベルに接続される。また、PMOSトランジスタMP1及びMP2のゲートにはPMOSゲート電位Gpが印加され、NMOSトランジスタMN1及びMN2のゲートにはNMOSゲート電位Gnが印加される。
【0004】
そして、NMOSトランジスタMN1のドレイン(ノードN1),ソース間に基準容量Cref(容量値=Cm(ダミー容量))が設けられ、NMOSトランジスタMN2のドレイン(ノードN2),ソース間にテスト容量Ctst(容量値=Cm+Ct(ターゲット容量))が設けられる。図7で示すCBCM用回路の目的は、ターゲット容量Ctを測定することである。
【0005】
図8は図7で示したCBCM用回路動作を示すタイミング図である。以下、同図を参照して、従来のCBCM用回路による容量値測定動作を説明する。
【0006】
同図に示すように、PMOSゲート電位Gp及びNMOSゲート電位Gnの入力電圧波形は、どの時間においても、NMOSトランジスタMN1,MN2及びPMOSトランジスタMP1,MP2のうち、少なくとも一方はオフするように与えられる。したがって、同一時間において、PMOSトランジスタMP1からNMOSトランジスタMN1へ、あるいは、PMOSトランジスタMP2からNMOSトランジスタMN2へ流れる貫通電流は生じない。
【0007】
図8に示すように、時間t1〜t2の間、PMOSトランジスタMP1及びMP2がオンして、電源パッド52及び54から電流Ir,Itを供給することにより、基準容量Cref及びテスト容量Ctstを充電する。この間、NMOSトランジスタMN1及びMN2は共にオフ状態であるため、基準容量Cref,テスト容量Ctstと接続しているノードN1,N2の電位は電源電位Vddに達する。
【0008】
時間t2〜t3間は、PMOSトランジスタMP1,MP2,NMOSトランジスタMN1,MN2の全てがオフになる。理想的には、基準容量Cref,テスト容量Ctstに充電された電荷は保存されるため、ノードN1,N2の電位は電源電位Vddを維持する。
【0009】
時間t3〜t4間は、NMOSトランジスタMN1及びMN2のみオンするため、基準容量Cref,テスト容量Ctstに充電された電荷は接地レベルへ放電され、ノードN1,N2の電位は接地電位Vssに達する。
【0010】
時間t4〜t5間は、全てのMOSトランジスタがオフ状態になる。理想的には、基準容量Cref,テスト容量Ctstは放電が完了したときの電位接地電位Vssを維持する。
【0011】
以上が動作の1周期T(t1〜t5までの時間)で、以降、この動作を繰り返す。測定装置で観測するのは、電流Ir,Itの時間平均値である。今、ゲート入力波形(Gp,Gn)の周波数をf(=1/T)とすると、次の(1),(2)式によってターゲット容量値Ctが求められる。
【0012】
【数1】
【0013】
【数2】
【0014】
CBCM法の長所は、(1)式に示すようにダミー容量(寄生容量)Cmをキャンセルして、所望のターゲット容量Ctを得ることができることである。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
このようにCBCM法によって容量値を測定することができる。しかし、CBCM回路を用いた容量値測定方法において、テスト容量Ctstに電荷のリークが存在し、そのリーク量が充電電流と比較して無視できない場合(例えば、電流値で1%以上)、観測される電流Itを充電電流として扱うことは測定した容量値の誤差を引き起こしてしまう。
【0016】
図9はリーク電流がない場合を想定したテスト容量Ctst側の等価回路を示す回路図である。同図に示すように、リーク電流がない場合は、テスト容量Ctstと抵抗Rs(トランジスタ抵抗等)とが直列に接続された構成と等価となる。
【0017】
図10はリーク電流がある場合を想定したテスト容量Ctst側の等価回路を示す回路図である。同図に示すように、リーク電流がある場合はテスト容量Ctstに並列に抵抗Rtが追加接続された構成となる。
【0018】
図11はリーク電流がある場合のCBCM回路の等価回路を示す回路図である。同図に示すように、図10で示した回路構成がNMOSトランジスタMN2のドレイン,ソース間に接続され、電源パッド54から供給される電流Itがテスト容量Ctstに電流ICtが流れるとともに、抵抗Rtにも電流IRtとして流れる。
【0019】
図12はリーク電流の問題点指摘用の説明図である。同図に示すように、PMOSゲート電位GpよりPMOSトランジスタMP1をオン状態にしている期間(すなわち、NMOSトランジスタMN1をオフ状態にすべき期間)においても電流IRtがリーク電流として流れてしまう。
【0020】
従来のCBCM法を用いた容量値の測定(抽出)は、電源電圧Vdd側で観測される電流を、全てCBCM回路を構成するMOSトランジスタ並びにテスト容量Ctst及びダミー容量Cmへの電荷の充電と仮定している。したがって、リーク電流が発生する場合、実際には抵抗Rtを流れるリーク電流に対応する電荷も充電電荷として取り扱ってしまうことになり、実際の容量値よりも大きな容量値で測定してしまうという問題点があった。
【0021】
この発明は上記問題点を解決するためになされたもので、測定対象の容量に無視できないレベルのリーク電流が発生する場合でも、正確な容量値が測定可能な容量値測定方法を得ることを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る容量値測定方法は、充電用トランジスタを含むCBCM(Charge Based Capacitance Measurement)用回路に接続された測定対象容量の容量値を測定する方法であって、(a)前記充電用トランジスタのオン/オフ動作を所定周期で制御する第1の制御信号を前記充電用トランジスタに付与して、前記充電用トランジスタを介して前記測定対象容量に供給される第1のテスト電流の電流量を測定するステップと、(b)前記充電用トランジスタのオン/オフ動作を前記所定周期で制御する第2の制御信号を前記充電用トランジスタに付与して、前記充電用トランジスタを介して前記測定対象容量に供給される第2のテスト電流の電流量を測定するステップとを備え、前記第2の制御信号は前記第1の制御信号に比べ前記充電用トランジスタのオン状態を指示する期間が所定倍に設定され、(c)前記第1及び第2のテスト電流に基づき、前記測定対象容量に付随して発生するリーク電流を除去し、前記測定対象容量の充電にのみ用いられる容量電流の電流量を算出するステップと、(d)前記容量電流の電流量に適合する充電周波数を算出するステップと、(e)前記容量電流の電流量及び前記充電周波数に基づき前記測定対象容量の容量値を算出するステップと、を備えている。
【0023】
また、請求項2の発明は、請求項1記載の容量値測定方法であって、前記第2の制御信号は、オフ状態を指示するレベルからオン状態を指示するレベルに遷移するオン遷移時間が前記第1の制御信号における前記オン遷移時間に対し前記所定倍の長さに設定される。
【0024】
また、請求項3の発明は、請求項2記載の容量値測定方法であって、前記第1及び第2の制御信号はオン状態を指示するレベルからオフ状態を指示するレベルに遷移するオフ遷移時間が共に前記第1の制御信号における前記オン遷移時間に比べ短く設定される。
【0025】
【発明の実施の形態】
図1はこの発明の実施の形態である容量値測定方法の処理手順を示すフローチャートである。なお、CBCM回路の構成は図7及び図11で示した回路構成と同様である。
【0026】
同図を参照して、ステップS1で、PMOSトランジスタMP1及びMP2を所定周期でオン/オフ制御するPMOSゲート電位GpとしてノーマルPMOSゲート電位Gp1を用いて、(1)式の電流Icに相当するテスト電流ICnormを測定する。
【0027】
その後、ステップS2で、PMOSゲート電位Gpとして、“L”期間及び立下がり時間がノーマルPMOSゲート電位Gp1の等比倍のオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2を用いて、(1)式の電流Icに相当するテスト電流ICratを測定する。したがって、電流ICnorm及び電流ICratは共にダミー容量Cmの充電用の電流Irは除去されている。
【0028】
図2はノーマルPMOSゲート電位Gp1及びオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2を示す波形図である。ノーマルPMOSゲート電位Gp1は通常用いられるPMOSオン時間PW(“L”の期間)及び立下がり時間TF(オフ遷移時間)を有する。なお、VonはCBCM回路のMOSトランジスタ用の動作電圧である。
【0029】
一方、オン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2は、PMOSトランジスタMP1及びMP2をオン/オフされる周期はノーマルPMOSゲート電位Gp1と同じであるが、デューティー,スルーレートが異なる。
【0030】
すなわち、オン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2は、図2に示すように、ノーマルPMOSゲート電位Gp1のPMOSオン時間PWの等比倍数rat倍の長さ(PW×rat)にPMOSオン時間が設定され、立下がり時間TFの等比倍数rat(TF×rat)の長さに立下がり時間が設定される。
【0031】
なお、ノーマルPMOSゲート電位Gp1及びオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2のそれぞれの立ち上がり時間は、立下がり時間TFに比べて十分短く設定することにより、PMOSトランジスタのゲート容量等のターゲット容量の放電動作による誤差を抑えることができる。
【0032】
図3はノーマルPMOSゲート電位Gp1及びオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2の信号例の詳細を示す波形図である。図4は図3の領域A1における電流ICt及び電流IRtのシミュレーション結果を示す波形図である。ここでは、等比倍数ratを“2”としている。
【0033】
図4に示すように、リーク成分である抵抗Rtを流れるリーク電流IRtはノードN2の電位に依存するため、立下がり時間TFが十分長ければ抵抗Rtを流れる電荷量も等比倍数rat(=2)倍される。一方、電流ICtはテスト容量Ctstの充電に瞬間的に流れるにすぎないため、ノーマルPMOSゲート電位Gp1とオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2との間で電荷量に差は生じない。
【0034】
図5はノーマルPMOSゲート電位Gp1及びオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2の信号例の詳細を示す波形図である。図6は図5の領域A2におけるリーク電流IRtを等比倍数ratで規格化(a.u(arbitrary unit))したシミュレーション結果を示す波形図である。ここでは、等比倍数ratを“2”としている。
【0035】
図6に示すように、リーク電流IRtの電流値は、ノーマルPMOSゲート電位Gp1の場合とオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2の場合とで一致する。したがって、PMOSゲート電位Gpの1周期において、リーク電流IRtの流れている期間が等比倍数rat倍長いオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2印加時のリーク電流IRtは、ノーマルPMOSゲート電位Gp1印加時の等比倍数rat倍の電流量で測定されることになる。
【0036】
図3〜図6で示すシミュレーション結果から、ノーマルPMOSゲート電位Gp1を用いる場合に対し、オン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2を用いる場合は、リーク電流IRtの単位時間当たりの電荷量(すなわち、電流の時間平均値)は等比倍数rat倍になるが、電流ICtの単位時間当たりの電荷量に変化がないことがわかる。
【0037】
図1に戻って、ステップS3で、電流ICnorm及び電流ICratに基づき、(3)式を用いて、リーク電流IRtを除去し、容量電流ICt成分のみからなる容量電流CICの電流量を算出する。
【0038】
【数3】
【0039】
前述したように、電流ICratは電流ICnormに比べ、等比倍数rat倍のリーク電流IRtの電流量が測定されるため、(3)式を実行して得られる容量電流CICにはリーク電流成分が完全に除去される。
【0040】
次に、ステップS4で、充電周波数fratを算出する。電流ICnormと電流ICratとは電流ICtの値は同一であるため、ステップS3で(3)式を実行することにより、(rat−1)×ICtに相当する電流量が容量電流CICとして算出されたことになる。すなわち、(rat−1)回の充電が行われたことと等価になるため、以下の(4)式を実行して充電周波数fratを求める。
【0041】
【数4】
【0042】
そして、ステップS5で、容量電流CIC及び充電周波数fratに基づき、以下の(5)式を実行してターゲット容量CCtを求める。
【0043】
【数5】
【0044】
(シミュレーション検証結果)
ここで、ターゲット容量Ct(CCt)=100fF、リーク用抵抗Rt=100KΩ、抵抗Rs=1200Ω、ダミー容量Cm=0Fとの場合のシミュレーションにより得られた電流ICnorm及び電流ICratに基づき、実施の形態の容量値測定方法でターゲット容量を求めた結果、ターゲット容量CCtは102fFとなり、2%の誤差に収めることができた。
【0045】
なお、上述したターゲット容量Ct(CCt)、抵抗Rt及び抵抗Rsの値は、既存の2周波法を用いて絶縁膜厚1.6nm(エリプソ値(エリプソメトリ法によって測定した値))のMOSFETから抽出したターゲット容量Ct、抵抗Rsと、抽出値の1/10程度(リーク電流を生じやすくするため)の抵抗Rtである。
【0046】
同様に、(1)式及び(2)式に基づく従来の容量値測定方法により求めたターゲット容量Ctは1.4pFであり、1400%の誤差となった。
【0047】
このように、実施の形態の容量値測定方法は、ステップS3で(3)式の演算を行うことにより、テスト容量Ctstの充電にのみ用いられる容量電流CICの電流量を正確に算出することができる。
【0048】
その結果、以後のステップS4,S5を実行することにより、テスト容量Ctstに付随して発生するリーク電流を除去した正確なテスト容量Ctstの容量値を算出することができる。
【0049】
この際、オン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2は“L”期間に加え、立下がり時間も等比倍数rat倍設定しているため、確実にリーク電流成分を除去することにより正確な上記容量電流の電流量を得ることができる。
【0050】
なお、本実施の形態におけるNMOSゲート電位Gnの信号波形は、PMOSゲート電位GpがノーマルPMOSゲート電位Gp1及びオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2のいずれの場合であっても、十分に放電できるデューティー,スルーレートに設定する。この際、ノーマルPMOSゲート電位Gp1とオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2との場合でNMOSゲート電位Gnの波形内容を異なる変更しても良い。
【0051】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明における請求項1記載の容量値測定方法のステップ(a),(b)の実行によって測定される第1及び第2のテスト電流の電流量はそれぞれ上記容量電流と上記リーク電流の電流量の和となる。
【0052】
ただし、第2のテスト電流は、第1のテスト電流と比較した場合、容量電流が同じで、リーク電流が所定倍の電流量となる。
【0053】
したがって、ステップ(c)で第1のテスト電流の電流量を上記所定倍した後、第2のテスト電流の電流量との差分をとる等の演算を行うことにより、測定対象容量の充電にのみ用いられる容量電流の電流量を正確に算出することができる。
【0054】
その結果、以後のステップ(d)及び(e)を実行することにより、測定対象容量に付随して発生するリーク電流を除去した正確な測定対象容量の容量値を算出することができる。
【0055】
請求項2記載の容量値測定方法は、第2の制御信号のオン遷移時間も第1の制御信号の所定倍の長さに設定することにより、より正確な上記容量電流の電流量を得ることができ、その結果、精度の高い測定対象容量の容量値を算出することができる。
【0056】
請求項3記載の容量値測定方法は、オフ状態遷移時間を十分短くすることにより、測定対象容量の放電による誤差を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態である容量値測定方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図2】PMOSゲート電位の信号波形を示す波形図である。
【図3】PMOSゲート電位の信号例の詳細を示す波形図である。
【図4】図3の一部分における容量電流及びリーク電流のシミュレーション結果を示す波形図である。
【図5】PMOSゲート電位の信号例の詳細を示す波形図である。
【図6】図5の一部分におけるリーク電流のシミュレーション結果を示す波形図である。
【図7】従来のCBCM法を採用したCBCM用回路の構成を示す回路図である。
【図8】図7で示したCBCM用回路動作を示すタイミング図である。
【図9】リーク電流がない場合を想定したテスト容量t側の等価回路を示す回路図である。
【図10】リーク電流がある場合を想定したテスト容量側の等価回路を示す回路図である。
【図11】リーク電流がある場合のCBCM回路の等価回路を示す回路図である。
【図12】リーク電流の問題点指摘用の説明図である。
【符号の説明】
Cm ダミー容量、Ctst テスト容量、MN1,MN2 NMOSトランジスタ、MP1,MP2 PMOSトランジスタ。
【発明の属する技術分野】
この発明はCBCM(Charge Based Capacitance Measurement)回路を用いた容量値測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
(CBCM法の基本原理)
CBCM法はLCRメータなどのAC測定器では十分な精度が得られないsub−fFレベル(10−15F以下)の容量値測定用回路である。
【0003】
図7は従来のCBCM法を採用したCBCM用回路の構成を示す回路図である。同図に示すように、PMOSトランジスタMP1及びNMOSトランジスタMN1が直列に接続され、PMOSトランジスタMP2及びNMOSトランジスタMN2が直列に接続される。そして、PMOSトランジスタMP1のソースが電源パッド52に、PMOSトランジスタMP2のソースが電源パッド54に接続され、NMOSトランジスタMN1及びMN2のソースが共通に接地レベルに接続される。また、PMOSトランジスタMP1及びMP2のゲートにはPMOSゲート電位Gpが印加され、NMOSトランジスタMN1及びMN2のゲートにはNMOSゲート電位Gnが印加される。
【0004】
そして、NMOSトランジスタMN1のドレイン(ノードN1),ソース間に基準容量Cref(容量値=Cm(ダミー容量))が設けられ、NMOSトランジスタMN2のドレイン(ノードN2),ソース間にテスト容量Ctst(容量値=Cm+Ct(ターゲット容量))が設けられる。図7で示すCBCM用回路の目的は、ターゲット容量Ctを測定することである。
【0005】
図8は図7で示したCBCM用回路動作を示すタイミング図である。以下、同図を参照して、従来のCBCM用回路による容量値測定動作を説明する。
【0006】
同図に示すように、PMOSゲート電位Gp及びNMOSゲート電位Gnの入力電圧波形は、どの時間においても、NMOSトランジスタMN1,MN2及びPMOSトランジスタMP1,MP2のうち、少なくとも一方はオフするように与えられる。したがって、同一時間において、PMOSトランジスタMP1からNMOSトランジスタMN1へ、あるいは、PMOSトランジスタMP2からNMOSトランジスタMN2へ流れる貫通電流は生じない。
【0007】
図8に示すように、時間t1〜t2の間、PMOSトランジスタMP1及びMP2がオンして、電源パッド52及び54から電流Ir,Itを供給することにより、基準容量Cref及びテスト容量Ctstを充電する。この間、NMOSトランジスタMN1及びMN2は共にオフ状態であるため、基準容量Cref,テスト容量Ctstと接続しているノードN1,N2の電位は電源電位Vddに達する。
【0008】
時間t2〜t3間は、PMOSトランジスタMP1,MP2,NMOSトランジスタMN1,MN2の全てがオフになる。理想的には、基準容量Cref,テスト容量Ctstに充電された電荷は保存されるため、ノードN1,N2の電位は電源電位Vddを維持する。
【0009】
時間t3〜t4間は、NMOSトランジスタMN1及びMN2のみオンするため、基準容量Cref,テスト容量Ctstに充電された電荷は接地レベルへ放電され、ノードN1,N2の電位は接地電位Vssに達する。
【0010】
時間t4〜t5間は、全てのMOSトランジスタがオフ状態になる。理想的には、基準容量Cref,テスト容量Ctstは放電が完了したときの電位接地電位Vssを維持する。
【0011】
以上が動作の1周期T(t1〜t5までの時間)で、以降、この動作を繰り返す。測定装置で観測するのは、電流Ir,Itの時間平均値である。今、ゲート入力波形(Gp,Gn)の周波数をf(=1/T)とすると、次の(1),(2)式によってターゲット容量値Ctが求められる。
【0012】
【数1】
【0013】
【数2】
【0014】
CBCM法の長所は、(1)式に示すようにダミー容量(寄生容量)Cmをキャンセルして、所望のターゲット容量Ctを得ることができることである。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
このようにCBCM法によって容量値を測定することができる。しかし、CBCM回路を用いた容量値測定方法において、テスト容量Ctstに電荷のリークが存在し、そのリーク量が充電電流と比較して無視できない場合(例えば、電流値で1%以上)、観測される電流Itを充電電流として扱うことは測定した容量値の誤差を引き起こしてしまう。
【0016】
図9はリーク電流がない場合を想定したテスト容量Ctst側の等価回路を示す回路図である。同図に示すように、リーク電流がない場合は、テスト容量Ctstと抵抗Rs(トランジスタ抵抗等)とが直列に接続された構成と等価となる。
【0017】
図10はリーク電流がある場合を想定したテスト容量Ctst側の等価回路を示す回路図である。同図に示すように、リーク電流がある場合はテスト容量Ctstに並列に抵抗Rtが追加接続された構成となる。
【0018】
図11はリーク電流がある場合のCBCM回路の等価回路を示す回路図である。同図に示すように、図10で示した回路構成がNMOSトランジスタMN2のドレイン,ソース間に接続され、電源パッド54から供給される電流Itがテスト容量Ctstに電流ICtが流れるとともに、抵抗Rtにも電流IRtとして流れる。
【0019】
図12はリーク電流の問題点指摘用の説明図である。同図に示すように、PMOSゲート電位GpよりPMOSトランジスタMP1をオン状態にしている期間(すなわち、NMOSトランジスタMN1をオフ状態にすべき期間)においても電流IRtがリーク電流として流れてしまう。
【0020】
従来のCBCM法を用いた容量値の測定(抽出)は、電源電圧Vdd側で観測される電流を、全てCBCM回路を構成するMOSトランジスタ並びにテスト容量Ctst及びダミー容量Cmへの電荷の充電と仮定している。したがって、リーク電流が発生する場合、実際には抵抗Rtを流れるリーク電流に対応する電荷も充電電荷として取り扱ってしまうことになり、実際の容量値よりも大きな容量値で測定してしまうという問題点があった。
【0021】
この発明は上記問題点を解決するためになされたもので、測定対象の容量に無視できないレベルのリーク電流が発生する場合でも、正確な容量値が測定可能な容量値測定方法を得ることを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る容量値測定方法は、充電用トランジスタを含むCBCM(Charge Based Capacitance Measurement)用回路に接続された測定対象容量の容量値を測定する方法であって、(a)前記充電用トランジスタのオン/オフ動作を所定周期で制御する第1の制御信号を前記充電用トランジスタに付与して、前記充電用トランジスタを介して前記測定対象容量に供給される第1のテスト電流の電流量を測定するステップと、(b)前記充電用トランジスタのオン/オフ動作を前記所定周期で制御する第2の制御信号を前記充電用トランジスタに付与して、前記充電用トランジスタを介して前記測定対象容量に供給される第2のテスト電流の電流量を測定するステップとを備え、前記第2の制御信号は前記第1の制御信号に比べ前記充電用トランジスタのオン状態を指示する期間が所定倍に設定され、(c)前記第1及び第2のテスト電流に基づき、前記測定対象容量に付随して発生するリーク電流を除去し、前記測定対象容量の充電にのみ用いられる容量電流の電流量を算出するステップと、(d)前記容量電流の電流量に適合する充電周波数を算出するステップと、(e)前記容量電流の電流量及び前記充電周波数に基づき前記測定対象容量の容量値を算出するステップと、を備えている。
【0023】
また、請求項2の発明は、請求項1記載の容量値測定方法であって、前記第2の制御信号は、オフ状態を指示するレベルからオン状態を指示するレベルに遷移するオン遷移時間が前記第1の制御信号における前記オン遷移時間に対し前記所定倍の長さに設定される。
【0024】
また、請求項3の発明は、請求項2記載の容量値測定方法であって、前記第1及び第2の制御信号はオン状態を指示するレベルからオフ状態を指示するレベルに遷移するオフ遷移時間が共に前記第1の制御信号における前記オン遷移時間に比べ短く設定される。
【0025】
【発明の実施の形態】
図1はこの発明の実施の形態である容量値測定方法の処理手順を示すフローチャートである。なお、CBCM回路の構成は図7及び図11で示した回路構成と同様である。
【0026】
同図を参照して、ステップS1で、PMOSトランジスタMP1及びMP2を所定周期でオン/オフ制御するPMOSゲート電位GpとしてノーマルPMOSゲート電位Gp1を用いて、(1)式の電流Icに相当するテスト電流ICnormを測定する。
【0027】
その後、ステップS2で、PMOSゲート電位Gpとして、“L”期間及び立下がり時間がノーマルPMOSゲート電位Gp1の等比倍のオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2を用いて、(1)式の電流Icに相当するテスト電流ICratを測定する。したがって、電流ICnorm及び電流ICratは共にダミー容量Cmの充電用の電流Irは除去されている。
【0028】
図2はノーマルPMOSゲート電位Gp1及びオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2を示す波形図である。ノーマルPMOSゲート電位Gp1は通常用いられるPMOSオン時間PW(“L”の期間)及び立下がり時間TF(オフ遷移時間)を有する。なお、VonはCBCM回路のMOSトランジスタ用の動作電圧である。
【0029】
一方、オン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2は、PMOSトランジスタMP1及びMP2をオン/オフされる周期はノーマルPMOSゲート電位Gp1と同じであるが、デューティー,スルーレートが異なる。
【0030】
すなわち、オン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2は、図2に示すように、ノーマルPMOSゲート電位Gp1のPMOSオン時間PWの等比倍数rat倍の長さ(PW×rat)にPMOSオン時間が設定され、立下がり時間TFの等比倍数rat(TF×rat)の長さに立下がり時間が設定される。
【0031】
なお、ノーマルPMOSゲート電位Gp1及びオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2のそれぞれの立ち上がり時間は、立下がり時間TFに比べて十分短く設定することにより、PMOSトランジスタのゲート容量等のターゲット容量の放電動作による誤差を抑えることができる。
【0032】
図3はノーマルPMOSゲート電位Gp1及びオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2の信号例の詳細を示す波形図である。図4は図3の領域A1における電流ICt及び電流IRtのシミュレーション結果を示す波形図である。ここでは、等比倍数ratを“2”としている。
【0033】
図4に示すように、リーク成分である抵抗Rtを流れるリーク電流IRtはノードN2の電位に依存するため、立下がり時間TFが十分長ければ抵抗Rtを流れる電荷量も等比倍数rat(=2)倍される。一方、電流ICtはテスト容量Ctstの充電に瞬間的に流れるにすぎないため、ノーマルPMOSゲート電位Gp1とオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2との間で電荷量に差は生じない。
【0034】
図5はノーマルPMOSゲート電位Gp1及びオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2の信号例の詳細を示す波形図である。図6は図5の領域A2におけるリーク電流IRtを等比倍数ratで規格化(a.u(arbitrary unit))したシミュレーション結果を示す波形図である。ここでは、等比倍数ratを“2”としている。
【0035】
図6に示すように、リーク電流IRtの電流値は、ノーマルPMOSゲート電位Gp1の場合とオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2の場合とで一致する。したがって、PMOSゲート電位Gpの1周期において、リーク電流IRtの流れている期間が等比倍数rat倍長いオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2印加時のリーク電流IRtは、ノーマルPMOSゲート電位Gp1印加時の等比倍数rat倍の電流量で測定されることになる。
【0036】
図3〜図6で示すシミュレーション結果から、ノーマルPMOSゲート電位Gp1を用いる場合に対し、オン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2を用いる場合は、リーク電流IRtの単位時間当たりの電荷量(すなわち、電流の時間平均値)は等比倍数rat倍になるが、電流ICtの単位時間当たりの電荷量に変化がないことがわかる。
【0037】
図1に戻って、ステップS3で、電流ICnorm及び電流ICratに基づき、(3)式を用いて、リーク電流IRtを除去し、容量電流ICt成分のみからなる容量電流CICの電流量を算出する。
【0038】
【数3】
【0039】
前述したように、電流ICratは電流ICnormに比べ、等比倍数rat倍のリーク電流IRtの電流量が測定されるため、(3)式を実行して得られる容量電流CICにはリーク電流成分が完全に除去される。
【0040】
次に、ステップS4で、充電周波数fratを算出する。電流ICnormと電流ICratとは電流ICtの値は同一であるため、ステップS3で(3)式を実行することにより、(rat−1)×ICtに相当する電流量が容量電流CICとして算出されたことになる。すなわち、(rat−1)回の充電が行われたことと等価になるため、以下の(4)式を実行して充電周波数fratを求める。
【0041】
【数4】
【0042】
そして、ステップS5で、容量電流CIC及び充電周波数fratに基づき、以下の(5)式を実行してターゲット容量CCtを求める。
【0043】
【数5】
【0044】
(シミュレーション検証結果)
ここで、ターゲット容量Ct(CCt)=100fF、リーク用抵抗Rt=100KΩ、抵抗Rs=1200Ω、ダミー容量Cm=0Fとの場合のシミュレーションにより得られた電流ICnorm及び電流ICratに基づき、実施の形態の容量値測定方法でターゲット容量を求めた結果、ターゲット容量CCtは102fFとなり、2%の誤差に収めることができた。
【0045】
なお、上述したターゲット容量Ct(CCt)、抵抗Rt及び抵抗Rsの値は、既存の2周波法を用いて絶縁膜厚1.6nm(エリプソ値(エリプソメトリ法によって測定した値))のMOSFETから抽出したターゲット容量Ct、抵抗Rsと、抽出値の1/10程度(リーク電流を生じやすくするため)の抵抗Rtである。
【0046】
同様に、(1)式及び(2)式に基づく従来の容量値測定方法により求めたターゲット容量Ctは1.4pFであり、1400%の誤差となった。
【0047】
このように、実施の形態の容量値測定方法は、ステップS3で(3)式の演算を行うことにより、テスト容量Ctstの充電にのみ用いられる容量電流CICの電流量を正確に算出することができる。
【0048】
その結果、以後のステップS4,S5を実行することにより、テスト容量Ctstに付随して発生するリーク電流を除去した正確なテスト容量Ctstの容量値を算出することができる。
【0049】
この際、オン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2は“L”期間に加え、立下がり時間も等比倍数rat倍設定しているため、確実にリーク電流成分を除去することにより正確な上記容量電流の電流量を得ることができる。
【0050】
なお、本実施の形態におけるNMOSゲート電位Gnの信号波形は、PMOSゲート電位GpがノーマルPMOSゲート電位Gp1及びオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2のいずれの場合であっても、十分に放電できるデューティー,スルーレートに設定する。この際、ノーマルPMOSゲート電位Gp1とオン期間等比倍PMOSゲート電位Gp2との場合でNMOSゲート電位Gnの波形内容を異なる変更しても良い。
【0051】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明における請求項1記載の容量値測定方法のステップ(a),(b)の実行によって測定される第1及び第2のテスト電流の電流量はそれぞれ上記容量電流と上記リーク電流の電流量の和となる。
【0052】
ただし、第2のテスト電流は、第1のテスト電流と比較した場合、容量電流が同じで、リーク電流が所定倍の電流量となる。
【0053】
したがって、ステップ(c)で第1のテスト電流の電流量を上記所定倍した後、第2のテスト電流の電流量との差分をとる等の演算を行うことにより、測定対象容量の充電にのみ用いられる容量電流の電流量を正確に算出することができる。
【0054】
その結果、以後のステップ(d)及び(e)を実行することにより、測定対象容量に付随して発生するリーク電流を除去した正確な測定対象容量の容量値を算出することができる。
【0055】
請求項2記載の容量値測定方法は、第2の制御信号のオン遷移時間も第1の制御信号の所定倍の長さに設定することにより、より正確な上記容量電流の電流量を得ることができ、その結果、精度の高い測定対象容量の容量値を算出することができる。
【0056】
請求項3記載の容量値測定方法は、オフ状態遷移時間を十分短くすることにより、測定対象容量の放電による誤差を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態である容量値測定方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図2】PMOSゲート電位の信号波形を示す波形図である。
【図3】PMOSゲート電位の信号例の詳細を示す波形図である。
【図4】図3の一部分における容量電流及びリーク電流のシミュレーション結果を示す波形図である。
【図5】PMOSゲート電位の信号例の詳細を示す波形図である。
【図6】図5の一部分におけるリーク電流のシミュレーション結果を示す波形図である。
【図7】従来のCBCM法を採用したCBCM用回路の構成を示す回路図である。
【図8】図7で示したCBCM用回路動作を示すタイミング図である。
【図9】リーク電流がない場合を想定したテスト容量t側の等価回路を示す回路図である。
【図10】リーク電流がある場合を想定したテスト容量側の等価回路を示す回路図である。
【図11】リーク電流がある場合のCBCM回路の等価回路を示す回路図である。
【図12】リーク電流の問題点指摘用の説明図である。
【符号の説明】
Cm ダミー容量、Ctst テスト容量、MN1,MN2 NMOSトランジスタ、MP1,MP2 PMOSトランジスタ。
Claims (3)
- 充電用トランジスタを含むCBCM(Charge Based Capacitance Measurement)用回路に接続された測定対象容量の容量値測定方法であって、
(a)前記充電用トランジスタのオン/オフ動作を所定周期で制御する第1の制御信号を前記充電用トランジスタに付与して、前記充電用トランジスタを介して前記測定対象容量に供給される第1のテスト電流の電流量を測定するステップと、
(b)前記充電用トランジスタのオン/オフ動作を前記所定周期で制御する第2の制御信号を前記充電用トランジスタに付与して、前記充電用トランジスタを介して前記測定対象容量に供給される第2のテスト電流の電流量を測定するステップとを備え、前記第2の制御信号は前記第1の制御信号に比べ前記充電用トランジスタのオン状態を指示する期間が所定倍に設定され、
(c)前記第1及び第2のテスト電流に基づき、前記測定対象容量に付随して発生するリーク電流を除去し、前記測定対象容量の充電にのみ用いられる容量電流の電流量を算出するステップと、
(d)前記容量電流の電流量に適合する充電周波数を算出するステップと、
(e)前記容量電流の電流量及び前記充電周波数に基づき前記測定対象容量の容量値を算出するステップと、
を備えた容量値測定方法。 - 請求項1記載の容量値測定方法であって、
前記第2の制御信号は、オフ状態を指示するレベルからオン状態を指示するレベルに遷移するオン遷移時間が前記第1の制御信号における前記オン遷移時間に対し前記所定倍の長さに設定される、
容量値測定方法。 - 請求項2記載の容量値測定方法であって、
前記第1及び第2の制御信号はオン状態を指示するレベルからオフ状態を指示するレベルに遷移するオフ遷移時間が共に前記第1の制御信号における前記オン遷移時間に比べ短く設定される、
容量値測定方法。
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Families Citing this family (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102005055954A1 (de) * | 2005-11-24 | 2007-05-31 | Robert Bosch Gmbh | Schaltungsanordnung und Verfahren zur Funktionsüberprüfung eines Leistungstransistors |
TWI306950B (en) * | 2006-11-06 | 2009-03-01 | Macronix Int Co Ltd | Method for measuring intrinsic capacitances of a mos device |
US20110157070A1 (en) * | 2009-12-31 | 2011-06-30 | Silicon Laboratories Inc. | System and method for configuring capacitive sensing speed |
TWI381173B (zh) * | 2008-10-29 | 2013-01-01 | Raydium Semiconductor Corp | 電容量測電路及其電容量測方法 |
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Family Cites Families (8)
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JP3094246B2 (ja) * | 1991-08-30 | 2000-10-03 | 豊 西村 | 静電容量測定法 |
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US20030098695A1 (en) * | 2001-11-28 | 2003-05-29 | Hsieh Tsung Hsuan | Circuit and method for measuring capacitance |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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